一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构及其设计方法技术

本发明专利技术涉及一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构及其设计方法，与现有技术相比解决了六维力传感器的保护装置无法满足航天强烈振动环境使用需要的缺陷。本发明专利技术中六维力传感器的固定端通过螺钉安装在固定端保护座的底座上且位于内圆环体之内，加载端保护盖套在固定端保护座上且外圆环体套在内圆环体外、上勾齿位于下勾槽内，加载端保护盖的上盖通过螺钉安装在六维力传感器的加载端。本发明专利技术实现了对六维力传感器的过载保护，摒弃了传统的销钉过载保护方法，通过上勾齿、下勾槽和凸台的配合安装设计，实现了六维力传感器Mx、My、Mz、Fx、Fy、Fz方向的过载保护。

A kind of collocation clamping omnidirectional overload protection mechanism for six-dimensional force sensor and its design method

The invention relates to a collocation clamping omnidirectional overload protection mechanism for a six-dimensional force sensor and its design method. Compared with the existing technology, it solves the defect that the protection device of the six-dimensional force sensor can not meet the needs of strong vibration environment in space. The fixed end of the six-dimensional force sensor in the invention is installed on the base of the fixed-end protector by screw and in the inner ring body, the protective cover of the loading end is on the fixed-end protector seat, and the outer ring body sleeve is outside the inner ring body and the upper hook teeth are in the lower hook groove, and the upper cover of the protective cover of the loading end is installed on the loading end of the six-dimensional force sensor by screw. The invention realizes overload protection of six-dimensional force sensor, abandons the traditional pin overload protection method, realizes overload protection of six-dimensional force sensor in Mx, My, Mz, Fx, Fy and Fz directions through the coordinated installation design of upper hook teeth, lower hook groove and convex.

【技术实现步骤摘要】
一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构及其设计方法
本专利技术涉及六维力传感器
，具体来说是一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构及其设计方法。
技术介绍
随着空间站在轨服务、深空探测等空间
的迅速发展，对空间机械臂技术的需求越来越迫切，而空间机械臂的智能化可以更好地帮助其完成作业任务。多维力传感器作为空间机械臂智能化的关键部件之一，可提供实时的力和力矩信息检测，可帮助空间机械臂实现自动反馈控制，因此越来越受到重视。多维力传感器经地面发射进入宇宙空间，面临着失重、真空、热作用、振动、冲击、噪声、辐射等严苛的环境条件，多维力传感器要克服这些苛刻的外部环境才可以成功应用，其中航天振动环境是首要面临克服的问题，航天器在发射阶段振动很剧烈，振动加速度可达到13g，远超过多维力传感器地面使用的一些常规振动环境，这样剧烈振动容易使多维力传感器发生超载破坏，但是等到航天器进入到宇宙空间以后，这样剧烈振动就会消失。由于电阻应变式多维力传感器敏感单元一般是由金属一体加工而成，不仅起着测量的作用，还起着连接件的作用，相对其他部件来说刚度较低。为了对满足多维力传感器高精度和高灵敏度等的需求，传感器的刚度就会降低，传感器的刚度与灵敏度是一对相互矛盾的参数。为了同时满足多维力传感器高灵敏度、高刚度的需求，多维力传感器的过载保护应运而生，过载保护装置在多维力传感器在受到外界不期望的载荷时可以对其进行保护而不被破坏，且不影响多维力传感器满量程范围内的正常使用。现有技术中，随有一些防止六维力传感器过载损坏的结构被提出，例如专利号为2016800004368、专利名称为六维力传感器保护装置和具有保护装置的六维力传感器的专利申请，但其使用螺杆和直销的方法，该种方法并适合航天振动环境下，因为销钉在受到到航天强烈振动的时候容易脱落，也容易造成二次破坏。因此，如何设计出一款针对于六维力传感器的全方位过载保护装置已经成为急需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中六维力传感器的保护装置无法满足航天强烈振动环境使用需要的缺陷，提供一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构及其设计方法来解决上述问题。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构，包括六维力传感器，六维力传感器的两端为加载端和固定端，还包括加载端保护盖和固定端保护座，加载端保护盖包括外圆环体，外圆环体的上部设有上盖，外圆环体的下部设有若干个上勾齿，上盖、外圆环体和上勾齿为一体结构；固定端保护座包括内圆环体，内圆环体的下部设有底座，内圆环体的外圆壁上设有若干个下勾槽，内圆环体、底座和下勾槽为一体结构；六维力传感器的固定端通过螺钉安装在固定端保护座的底座上且位于内圆环体之内，加载端保护盖套在固定端保护座上且外圆环体套在内圆环体外、上勾齿位于下勾槽内，加载端保护盖的上盖通过螺钉安装在六维力传感器的加载端。还包括卡接基座，卡接基座包括圆环基底，圆环基底的圆周轨迹上等分设有若干个凸台，卡接基座安装在固定端保护座的底部且下勾槽位于两个相邻的凸台之间，圆环基底通过螺钉安装在固定端保护座的底座上。所述的上勾齿、下勾槽和凸台的数量均相同。所述的加载端保护盖与固定端保护座之间、固定端保护座与卡接基座之间均构成间隙配合。所述的上勾齿包括竖块，竖块的一端与外圆环体垂直相连，竖块的另一端垂直连接有横插块。所述的下勾槽包括与内圆环体相连的上横块、下横块和纵向连接块，上横块与下横块相平行，纵向连接块的一端与上横块相连，纵向连接块的另一端与下横块相连，横插块位于上横块与下横块之间，横插块与上横块、横插块与下横块、横插块与纵向连接块、上横块与竖块、上横块与外圆环体构成间隙配合。所述的下横块与凸台、竖块与凸台均构成间隙配合。一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构的设计方法，包括以下步骤：六维力传感器的弹性体设计，针对六维力传感器的弹性体进行正应力和剪应力的设计；六维力传感器的弹性体满量程最大应变值的计算，根据六维力传感器弹性体的材质计算出弹性体最大应变极限值；配合间隙λ的确定，利用有限元方法将六维力传感器在Mx/My、Fx/Fy和Fz方向满量程最大载荷下加载端沿Z移动的最大位移找出定义为λF，在Mx/My、Fx/Fy和Fz方向弹性体材料允许的极限载荷下加载端沿Z移动的最小位移找出定义为λT，则配合间隙λ取(λF，λT)之间的任意数值；配合间隙θ的确定，利用有限元方法将六维力传感器在Mz方向满量程最大载荷下加载端绕Z轴转角变化为θF，其次利用有限元方法将六维力传感器在Mz方向弹性体材料允许的极限载荷下加载端绕Z轴的转角变形计算出并设定为θT，则配合间隙θ取(θF，θT)之间的任意数值；配合间隙δ的确定，利用有限元方法将六维力传感器在Mx/My和Fx/Fy方向满量程最大载荷下加载端沿X轴或Y移动的最大位移找出并取它们之间最大值作为δF；利用有限元方法将六维力传感器在Mx/My和Fx/Fy方向弹性体材料允许的极限载荷下加载端沿X轴或Y移动的最大位移找出并取它们之间最小值作为δT，则配合间隙δ取(δF，δT)之间的任意数值。所述六维力传感器的弹性体设计包括以下步骤：利用材料力学中的虎克定律，设定受正应力状态计算公式，其计算公式如下：σ＝E·ε，其中，σ为弹性体横截面上的正应力，ε为弹性体的纵向应变，σ与ε成正比；设定剪应力状态计算公式，其公式如下：τ＝G·γ，其中，G为剪切模量，γ为剪应变，τ为剪应力。所述六维力传感器的弹性体满量程最大应变值的计算包括以下步骤：设六维力传感器在经历p倍的过载以后，传感器仍正常使用，则六维力传感器的最大应变εmax计算公式如下：其中，[ε]为弹性体材料弹性变形的最大应变极限，e为静态设计安全因数，p为传感器最大量程过载倍数；设定在静载的情况下，对塑性材料的安全因素取es＝1.2～2.5；计算由六维力传感器的全桥路输出灵敏度S，其计算公式如下：S＝Kε×10-3mV/V，其中：K为应变计灵敏系数，ε为贴片平均应变。有益效果本专利技术的一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构及其设计方法，与现有技术相比实现了对六维力传感器的过载保护，摒弃了传统的销钉过载保护方法，通过上勾齿、下勾槽和凸台的配合安装设计，实现了六维力传感器Mx、My、Mz、Fx、Fy、Fz方向的过载保护，达到了航天强烈振动环境的使用要求。附图说明图1为本专利技术的立体结构示意图；图2为图1的爆炸图；图3为本专利技术中加载端保护盖的仰视立体结构示意图；图4为图3中A点放大图；图5为本专利技术中固定端保护座的结构示意图；图6为图5的B点放大图；图7为本专利技术中卡接基座的结构示意图；图8为图7的C点放大图；图9为图1的正视图；图10为图9中D点放大图；图11为本专利技术中外圆环体与底座之间配合间隙λ的设计示意图；图12为图11的横向剖视图；图13为具有过载保护装置的六维力传感器有限元模型仿真效果图；其中，10-加载端保护盖、20-六维力传感器、30-固定端保护座、40-卡接基座、50-螺钉、101-外圆环体、102-上盖、103-上勾齿、104-竖块、105-横插块、201-加载端、202-固定端、301-内圆环体、302本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构，包括六维力传感器(20)，六维力传感器(20)的两端为加载端(201)和固定端(202)，其特征在于：还包括加载端保护盖(10)和固定端保护座(30)，加载端保护盖(10)包括外圆环体(101)，外圆环体(101)的上部设有上盖(102)，外圆环体(101)的下部设有若干个上勾齿(103)，上盖(102)、外圆环体(101)和上勾齿(103)为一体结构；固定端保护座(30)包括内圆环体(301)，内圆环体(301)的下部设有底座(302)，内圆环体(301)的外圆壁上设有若干个下勾槽(303)，内圆环体(301)、底座(302)和下勾槽(303)为一体结构；六维力传感器(20)的固定端(202)通过螺钉安装在固定端保护座(30)的底座(302)上且位于内圆环体(301)之内，加载端保护盖(10)套在固定端保护座(30)上且外圆环体(101)套在内圆环体(301)外、上勾齿(103)位于下勾槽(303)内，加载端保护盖(10)的上盖(102)通过螺钉(50)安装在六维力传感器(20)的加载端(201)。

【技术特征摘要】
1.一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构，包括六维力传感器(20)，六维力传感器(20)的两端为加载端(201)和固定端(202)，其特征在于：还包括加载端保护盖(10)和固定端保护座(30)，加载端保护盖(10)包括外圆环体(101)，外圆环体(101)的上部设有上盖(102)，外圆环体(101)的下部设有若干个上勾齿(103)，上盖(102)、外圆环体(101)和上勾齿(103)为一体结构；固定端保护座(30)包括内圆环体(301)，内圆环体(301)的下部设有底座(302)，内圆环体(301)的外圆壁上设有若干个下勾槽(303)，内圆环体(301)、底座(302)和下勾槽(303)为一体结构；六维力传感器(20)的固定端(202)通过螺钉安装在固定端保护座(30)的底座(302)上且位于内圆环体(301)之内，加载端保护盖(10)套在固定端保护座(30)上且外圆环体(101)套在内圆环体(301)外、上勾齿(103)位于下勾槽(303)内，加载端保护盖(10)的上盖(102)通过螺钉(50)安装在六维力传感器(20)的加载端(201)。2.根据权利要求1所述的一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构，其特征在于：还包括卡接基座(40)，卡接基座(40)包括圆环基底(401)，圆环基底(401)的圆周轨迹上等分设有若干个凸台(402)，卡接基座(40)安装在固定端保护座(30)的底部且下勾槽(303)位于两个相邻的凸台(402)之间，圆环基底(401)通过螺钉安装在固定端保护座(30)的底座(302)上。3.根据权利要求2所述的一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构，其特征在于：所述的上勾齿(103)、下勾槽(303)和凸台(402)的数量均相同。4.根据权利要求2所述的一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构，其特征在于：所述的加载端保护盖(10)与固定端保护座(30)之间、固定端保护座(30)与卡接基座(40)之间均构成间隙配合。5.根据权利要求2所述的一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构，其特征在于：所述的上勾齿(103)包括竖块(104)，竖块(104)的一端与外圆环体(101)垂直相连，竖块(104)的另一端垂直连接有横插块(105)。6.根据权利要求5所述的一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构，其特征在于：所述的下勾槽(303)包括与内圆环体(301)相连的上横块(304)、下横块(305)和纵向连接块(306)，上横块(304)与下横块(305)相平行，纵向连接块(306)的一端与上横块(304)相连，纵向连接块(306)的另一端与下横块(305)相连，横插块(105)位于上横块(304)与下横块(305)之间，横插块(105)与上横块(304)、横插块(105)与下横块(305)、横插块(105)与纵向连接块(306)、上横块(304...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙玉香，曹会彬，高理富，江曼，徐湛楠，潘宏青，黄英良，葛运建，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34